JP2002025580A - Proton conductive film for fuel cell and fuel cell - Google Patents

Proton conductive film for fuel cell and fuel cell

Info

Publication number
JP2002025580A
JP2002025580A JP2000202282A JP2000202282A JP2002025580A JP 2002025580 A JP2002025580 A JP 2002025580A JP 2000202282 A JP2000202282 A JP 2000202282A JP 2000202282 A JP2000202282 A JP 2000202282A JP 2002025580 A JP2002025580 A JP 2002025580A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
proton conductive
fuel cell
conductive membrane
electrodes
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000202282A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takuya Yara
卓也 屋良
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sekisui Chemical Co Ltd
Original Assignee
Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sekisui Chemical Co Ltd filed Critical Sekisui Chemical Co Ltd
Priority to JP2000202282A priority Critical patent/JP2002025580A/en
Publication of JP2002025580A publication Critical patent/JP2002025580A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductive film for fuel cells, having hydrophilic nature and easy to contact the electrode interface. SOLUTION: The proton conductive film for fuel cells consists of a film sulfonated by normal pressure discharging plasma processing. In a sulfonating processing method, counter electrodes, constructed with a pair of electrodes countered each other, and formed by covering one or both opposite faces of the electrodes with a solid dielectrics and arranged under the vicinity of the atmospheric pressure of a mixed gas atmosphere which consists of sulfur oxide gas and oxygen and/or rare gas, are applied with a specific pulse voltage in a state that the proton conductive film for fuel cells is arranged between the counter electrodes, to put the proton conductive film for fuel cells under an atmospheric pressure discharging plasma processing.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、スルホン化処理さ
れた燃料電池用プロトン伝導性膜、燃料電池用プロトン
伝導性膜のスルホン化処理方法及び該スルホン化処理さ
れた燃料電池用プロトン伝導性膜を用いた燃料電池に関
する。
The present invention relates to a sulfonated proton conductive membrane for a fuel cell, a method for sulfonating a proton conductive membrane for a fuel cell, and a sulfonated proton conductive membrane for a fuel cell. And a fuel cell using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、従来の内燃機関と異なり、
低負荷で発電効率が高く、さらに低公害であることか
ら、環境性に優れており、現在大きな課題となっている
環境問題、エネルギー問題の解決に貢献可能な次世代の
発電装置として期待されている。燃料電池は、電解質及
び燃料の種類によりいくつかに分類され、アルカリ水溶
液型、リン酸電解質型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、
固体高分子型、直接メタノール型等が挙げられるが、こ
の中でも固体高分子型燃料電池は、他のいずれの方式に
比べても小型、かつ高出力であり、小規模オンサイト
型、移動体(車載)用、携帯用の燃料電池として次世代
の主力とされている。
2. Description of the Related Art Fuel cells are different from conventional internal combustion engines.
Because of its low load, high power generation efficiency and low pollution, it has excellent environmental properties and is expected to be a next-generation power generation device that can contribute to solving environmental and energy problems that are currently major issues. I have. Fuel cells are classified into several types depending on the type of electrolyte and fuel, such as an alkaline aqueous solution type, a phosphoric acid electrolyte type, a molten carbonate type, a solid oxide type,
Solid polymer fuel cells, direct methanol fuel cells, and the like can be mentioned. Among them, solid polymer fuel cells are smaller and have higher output than any other method, and are small-scale on-site fuel cells and mobile bodies ( It is considered to be the mainstay of the next generation as a fuel cell for (in-vehicle) and portable use.

【0003】固体高分子型燃料電池の構造は、基本的
に、水素が供給されるセパレータ、燃料極、イオン交換
膜、空気極、空気が供給されるセパレータよりなるサン
ドイッチ構造で、この単セルが積層したスタックからな
っている。
The structure of a polymer electrolyte fuel cell is basically a sandwich structure composed of a separator to which hydrogen is supplied, a fuel electrode, an ion exchange membrane, an air electrode, and a separator to which air is supplied. Consists of stacked stacks.

【0004】現状では、固体高分子型燃料電池は、まだ
実用段階に至っていないが、試作、あるいはテスト段階
で用いられている燃料電池の電解質膜としては、パーフ
ルオロアルキレンを主骨格とし、一部にパーフルオロビ
ニルエーテル側鎖の末端にスルホン酸基、カルボン酸基
等のイオン交換基を有するフッ素系膜がプロトン伝導性
膜として、主として用いられている。この様なフッ素系
膜としては、USP4,330,654号等に記載され
ているDu Pont社のNafion膜、特開平4−
366137号公報等に記載されているDow Che
mical社のDow膜、特開平6−342665号公
報等に記載されている旭化成工業(株)社のAcipl
ex膜、旭硝子(株)社のFlemion膜等が知られ
ている。
At present, the polymer electrolyte fuel cell has not yet reached the practical stage. However, as a fuel cell used in the trial production or the test stage, a perfluoroalkylene has a main skeleton and a part of the electrolyte membrane has a main skeleton. A fluorine-based membrane having an ion exchange group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group at the terminal of a side chain of perfluorovinyl ether is mainly used as a proton conductive membrane. Examples of such a fluorine-based film include a Nafion film of Du Pont described in US Pat. No. 4,330,654 and the like;
Dow Che described in 366137
Dow film manufactured by Asahi Chemical Co., Ltd., and Acipl manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.
An ex film, a Flemion film manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and the like are known.

【0005】これらフッ素系膜は、電極界面との接触性
が高いことが望まれている。また、反応により発生した
水分がイオン交換膜を阻害するため、膜自身に保水性、
親水性を付与できれば燃料電池の性能向上につながるた
め、それらの機能付与技術の開発が望まれている。
It is desired that these fluorine-based films have high contact with the electrode interface. Also, because the water generated by the reaction inhibits the ion exchange membrane, the membrane itself retains water,
If hydrophilicity can be imparted, the performance of the fuel cell will be improved. Therefore, development of a technology for imparting such functions is desired.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に鑑
み、親水性を持ち、電極界面とのなじみが良い燃料電池
用プロトン伝導性膜を提供し、高発電効率、高寿命の燃
料電池を実現することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above, the present invention provides a proton conductive membrane for a fuel cell which has hydrophilicity and good compatibility with an electrode interface, and provides a fuel cell with high power generation efficiency and long life. It is intended to be realized.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題に
鑑み鋭意研究した結果、大気圧条件下で安定した放電状
態を実現させることができる放電プラズマ処理方法によ
るスルホン化を行うことにより、簡便に燃料電池用プロ
トン伝導性膜を親水化できることを見出し、本発明を完
成した。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventor has found that by performing sulfonation by a discharge plasma treatment method capable of realizing a stable discharge state under atmospheric pressure conditions, The present inventors have found that the proton conductive membrane for a fuel cell can be easily made hydrophilic, and have completed the present invention.

【0008】すなわち、本発明の第1(請求項1の発
明)は、常圧放電プラズマ処理によりスルホン化された
燃料電池用プロトン伝導性膜からなることを特徴とする
燃料電池用プロトン伝導性膜である。
[0008] That is, a first aspect of the present invention (the invention of claim 1) is that the proton conductive membrane for a fuel cell is characterized by comprising a proton conductive membrane for a fuel cell which has been sulfonated by normal pressure discharge plasma treatment. It is.

【0009】また、本発明の第2(請求項2の発明)
は、常圧放電プラズマ処理が、互いに対向する一対の電
極で構成され、その一方または双方の電極の対向面が固
体誘電体で被覆されてなる対向電極を、硫黄酸化物ガス
及び酸素及び/又は希ガスからなる混合ガス雰囲気の大
気圧近傍下に配置し、その対向電極間に燃料電池用プロ
トン伝導性膜を配置した状態で、対向電極間に、パルス
立ち上がり時間が20μs以下、パルス継続時間が1〜
50μs、周波数が1〜20kHz、電界強度が50〜
100kV/cmのパルス電圧を印加することにより、
燃料電池用プロトン伝導性膜に大気圧放電プラズマ処理
を施すことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用プ
ロトン伝導性膜のスルホン化処理方法である。
The second aspect of the present invention (the invention of claim 2)
The normal-pressure discharge plasma treatment comprises a pair of electrodes facing each other, and a counter electrode having one or both of the electrodes facing each other coated with a solid dielectric is provided with a sulfur oxide gas and oxygen and / or In a state where the mixed gas atmosphere composed of a rare gas is arranged near the atmospheric pressure and the proton conductive membrane for a fuel cell is arranged between the opposed electrodes, a pulse rise time of 20 μs or less and a pulse duration time between the opposed electrodes are set. 1 to
50 μs, frequency 1-20 kHz, electric field strength 50-
By applying a pulse voltage of 100 kV / cm,
The method according to claim 1, wherein atmospheric pressure discharge plasma treatment is performed on the proton conductive membrane for a fuel cell.

【0010】また、本発明の第3(請求項3の発明)
は、第1又は2の発明に記載のスルホン化処理方法によ
り得られた燃料電池用プロトン伝導性膜を用いてなるこ
とを特徴とする燃料電池である。
The third aspect of the present invention (the invention of claim 3)
Is a fuel cell characterized by using the proton conductive membrane for a fuel cell obtained by the sulfonation treatment method according to the first or second invention.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】本発明は、常圧放電プラズマ処理
によって、燃料電池用プロトン伝導性膜をスルホン化
し、親水性等を付与する方法であり、より詳しくは、大
気圧近傍の圧力下で、対向電極との少なくとも一方の対
向面に固体誘電体を設置し、上記対向電極と固体誘電体
の間又は固体誘電体同士の間に燃料電池用プロトン伝導
性膜を配置し、処理ガスの存在下に、当該対向電極間に
パルス電界を印加することを特徴とする方法である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for sulfonating a proton conductive membrane for a fuel cell to impart hydrophilicity or the like by a normal pressure discharge plasma treatment. More specifically, the present invention relates to a method under a pressure near atmospheric pressure. A solid dielectric is provided on at least one surface facing the counter electrode, and a proton conductive membrane for a fuel cell is disposed between the counter electrode and the solid dielectric or between the solid dielectrics. The method is characterized in that a pulse electric field is applied between the opposed electrodes below.

【0012】本発明で用いる燃料電池用プロトン伝導性
膜が、その構造上表面に凹凸を有していたとしても、本
発明の表面処理方法は、どのような凹凸を有する被処理
体に対してもダメ−ジを与えずに安定して適用可能であ
り、気体による処理であるため、従来の溶液に浸漬する
方法より簡便な方法である。
Even if the proton conductive membrane for a fuel cell used in the present invention has irregularities on the surface due to its structure, the surface treatment method of the present invention can be applied to any object having irregularities. This method can be applied stably without giving any damage, and is a simpler method than the conventional method of dipping in a solution because the treatment is performed by gas.

【0013】上記大気圧近傍の圧力下とは、1.333
×104〜10.664×104Paの圧力下を指す。圧
力調整が容易で、装置が簡便になる9.331×104
〜10.397×104Paの範囲が好ましい。
The above-mentioned pressure near the atmospheric pressure is defined as 1.333.
× 10 4 to 10.664 × 10 4 Pa. 9.331 × 10 4 for easy pressure adjustment and simple equipment
It is preferably in the range of 10.397 × 10 4 Pa.

【0014】本発明の表面処理方法は、一対の対向電極
を有し、当該電極の対向面の少なくとも一方に固体誘電
体が設置されている装置において行われる。プラズマが
発生する部位は、上記電極の一方に固体誘電体を設置し
た場合は、固体誘電体と電極の間、上記電極の双方に固
体誘電体を設置した場合は、固体誘電体同士の間の空間
である。この固体誘電体と電極との間又は固体誘電体同
士の間に被処理体である燃料電池用プロトン伝導性膜を
配置して処理を行う。
[0014] The surface treatment method of the present invention is performed in an apparatus having a pair of opposed electrodes and a solid dielectric placed on at least one of the opposed surfaces of the electrodes. The portion where plasma is generated is between the solid dielectric and the electrode when a solid dielectric is installed on one of the electrodes, and between the solid dielectrics when the solid dielectric is installed on both of the electrodes. Space. The treatment is performed by disposing a proton conductive membrane for a fuel cell, which is an object to be processed, between the solid dielectric and the electrode or between the solid dielectrics.

【0015】上記電極としては、銅、アルミニウム等の
金属単体、ステンレス、真鍮等の合金、金属間化合物等
からなるものが挙げられる。上記対向電極は、電界集中
によるアーク放電の発生を避けるために、対向電極間の
距離が略一定となる構造であることが好ましい。この条
件を満たす電極構造としては、平行平板型、円筒対向平
板型、球対向平板型、双曲面対向平板型、同軸円筒型構
造等が挙げられる。
Examples of the electrodes include those made of a simple metal such as copper and aluminum, alloys such as stainless steel and brass, and intermetallic compounds. It is preferable that the counter electrode has a structure in which the distance between the counter electrodes is substantially constant in order to avoid occurrence of arc discharge due to electric field concentration. Examples of an electrode structure that satisfies this condition include a parallel plate type, a cylindrical opposed plate type, a spherical opposed plate type, a hyperboloid opposed plate type, and a coaxial cylindrical structure.

【0016】上記固体誘電体は、上記電極の対向面の一
方又は双方に設置する。この際、固体誘電体と設置され
る側の電極が密着し、かつ、接する電極の対向面を完全
に覆うようにする。固体誘電体によって覆われずに電極
同士が直接対向する部位があると、そこからアーク放電
が生じるためである。
The solid dielectric is provided on one or both of the opposing surfaces of the electrode. At this time, the electrode on the side on which the solid dielectric is placed is in close contact with the electrode, and the opposing surface of the contacting electrode is completely covered. This is because if there is a portion where the electrodes directly face each other without being covered by the solid dielectric, an arc discharge occurs therefrom.

【0017】上記固体誘電体の形状は、シート状でもフ
ィルム状でもよいが、厚みが0.01〜4mmであるこ
とが好ましい。厚すぎると放電プラズマを発生するのに
高電圧を要し、薄すぎると電圧印加時に絶縁破壊が起こ
りアーク放電が発生するためである。
The shape of the solid dielectric may be a sheet or a film, but preferably has a thickness of 0.01 to 4 mm. If the thickness is too large, a high voltage is required to generate discharge plasma. If the thickness is too small, dielectric breakdown occurs when a voltage is applied, and arc discharge occurs.

【0018】上記固体誘電体の材質としては、例えば、
ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレ
ート等のプラスチック、ガラス、二酸化珪素、酸化アル
ミニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属
酸化物、チタン酸バリウム等の複酸化物等が挙げられ
る。
As the material of the solid dielectric, for example,
Plastics such as polytetrafluoroethylene and polyethylene terephthalate; glass; silicon dioxide; aluminum oxide; zirconium dioxide; metal oxides such as titanium dioxide; and double oxides such as barium titanate.

【0019】また、上記固体誘電体は、比誘電率が2以
上(25℃環境下、以下同様)であることが好ましい。
比誘電率が2以上の誘電体の具体例としては、ポリテト
ラフルオロエチレン、ガラス、金属酸化膜等を挙げるこ
とができる。さらに高密度の放電プラズマを安定して発
生させるためには、比誘電率が10以上の固定誘電体を
用いることが好ましい。比誘電率の上限は特に限定され
るものではないが、現実の材料では18,500程度の
ものが知られている。比誘電率が10以上の固体誘電体
としては、酸化チタニウム5〜50重量%、酸化アルミ
ニウム50〜95重量%で混合された金属酸化物皮膜、
または、酸化ジルコニウムを含有する金属酸化物皮膜か
らなり、その被膜の厚みが10〜1000μmであるも
のを用いることが好ましい。
It is preferable that the solid dielectric has a relative dielectric constant of 2 or more (the same applies in an environment of 25 ° C.).
Specific examples of the dielectric having a relative dielectric constant of 2 or more include polytetrafluoroethylene, glass, and a metal oxide film. In order to stably generate a high-density discharge plasma, it is preferable to use a fixed dielectric having a relative dielectric constant of 10 or more. Although the upper limit of the relative permittivity is not particularly limited, it is known that the actual material is about 18,500. As a solid dielectric having a relative dielectric constant of 10 or more, a metal oxide film mixed with 5 to 50% by weight of titanium oxide and 50 to 95% by weight of aluminum oxide;
Alternatively, it is preferable to use a metal oxide film containing zirconium oxide and having a thickness of 10 to 1000 μm.

【0020】上記電極間の距離は、固体誘電体の厚さ、
印加電圧の大きさ、プラズマを利用する目的等を考慮し
て適宜決定されるが、1〜50mmであることが好まし
い。1mm未満では、電極間の間隔を置いて設置するの
に充分でないことがあり、50mmを超えると、均一な
放電プラズマを発生させにくい。
The distance between the electrodes is determined by the thickness of the solid dielectric,
It is appropriately determined in consideration of the magnitude of the applied voltage, the purpose of utilizing the plasma, and the like, and is preferably 1 to 50 mm. If it is less than 1 mm, it may not be sufficient to place the electrodes at intervals, and if it is more than 50 mm, it is difficult to generate uniform discharge plasma.

【0021】上記電極間にパルス電界を印加することに
より放電プラズマを発生させる。図1にパルス波形の例
を示す。(A)、(B)はインパルス型、(C)は方形
波型、(D)は変調型の波形である。また、図1には電
圧印加が正負の繰り返しである波形のみを挙げたが、正
又は負のいずれかの極性側に電圧が印加される片波状の
波形でもよい。
A discharge plasma is generated by applying a pulse electric field between the electrodes. FIG. 1 shows an example of a pulse waveform. (A) and (B) are impulse waveforms, (C) is a square wave waveform, and (D) is a modulation waveform. Further, FIG. 1 shows only a waveform in which voltage application is a repetition of positive and negative, but a waveform having a single wave in which a voltage is applied to either the positive or negative polarity side may be used.

【0022】上記電極間に印加されるパルス電界は、電
圧立ち上がり時間が20μs以下、電界強度が50〜1
00kV/cmとなされていることが好ましい。このよ
うな高速のパルスを印加することは高密度のプラズマの
発生につながり、処理を高速連続化するうえで重要であ
る。ここで立ち上がり時間とは、電圧変化が連続して正
である時間を指す。
The pulse electric field applied between the electrodes has a voltage rise time of 20 μs or less and an electric field strength of 50 to 1
It is preferably set to 00 kV / cm. Applying such a high-speed pulse leads to the generation of high-density plasma, and is important for achieving high-speed continuous processing. Here, the rise time refers to a time during which the voltage change is continuously positive.

【0023】パルス電界の立ち上がり時間が短いほどプ
ラズマ発生の際のガスの電離が効率よく行われ、パルス
の立ち上がり時間が20μsを超えると放電状態がアー
クに移行しやすく不安定なものとなり、パルス電界によ
る高密度プラズマ状態を期待できにくくなる。また、立
ち上がり時間は早いほうがよいが、常圧でプラズマが発
生する程度の大きさの電界強度を有し、かつ、立ち上が
り時間が早い電界を発生させる装置には制約があり、現
実的には40ns未満の立ち上がり時間のパルス電界を
実現することは困難である。より好ましくは立ち上がり
時間が50ns〜5μsである。
The shorter the rise time of the pulse electric field is, the more efficiently the gas is ionized during the generation of the plasma. If the rise time of the pulse exceeds 20 μs, the discharge state easily shifts to an arc and becomes unstable. And a high-density plasma state cannot be expected. Further, it is better that the rise time is short. However, there is a limit to a device that has an electric field intensity large enough to generate plasma at normal pressure and generates a short rise time electric field. It is difficult to achieve a pulsed electric field with a rise time of less than. More preferably, the rise time is 50 ns to 5 μs.

【0024】また、パルス電界の立ち下がり時間も急峻
であることが好ましく、立ち上がり時間と同様の20μ
s以下のタイムスケールであることが好ましい。パルス
電界発生技術によっても異なるが、例えば、本発明の実
施例で使用した電源装置では、立ち上がり時間と立ち下
がり時間を同じ時間に設定できる。
It is preferable that the fall time of the pulse electric field is also steep.
The time scale is preferably equal to or less than s. For example, in the power supply device used in the embodiment of the present invention, the rise time and the fall time can be set to the same time, although it differs depending on the pulse electric field generation technique.

【0025】パルス電界の周波数は、1〜20kHzで
あることが好ましい。1kHz未満であるとプラズマ密
度が低いため処理に時間がかかりすぎ、20kHzを超
えるとアーク放電が発生しやすくなる。このような高周
波数のパルス電界を印加することにより、処理速度を大
きく向上させることが出来る。
The frequency of the pulse electric field is preferably 1 to 20 kHz. When the frequency is less than 1 kHz, the processing takes too much time due to the low plasma density, and when the frequency exceeds 20 kHz, arc discharge tends to occur. By applying such a high-frequency pulsed electric field, the processing speed can be greatly improved.

【0026】また、上記パルス電界におけるパルス継続
時間は、1〜50μsであることが好ましい。1μs未
満であると放電が不安定なものとなり、50μsを超え
るとアーク放電に移行しやすくなる。より好ましくは、
3μs〜20μsである。ここで、パルス継続時間と
は、図2中に例を示してあるが、ON、OFFの繰り返
しからなるパルス電界における、パルスが連続する時間
を言う。図2(a)のような間欠型のパルスでは、パル
ス継続時間はパルス幅時間と等しいが、図2(b)のよ
うな波形のパルスでは、パルス幅時間とは異なり、一連
の複数のパルスを含んだ時間を言う。
It is preferable that the pulse duration in the pulse electric field is 1 to 50 μs. If it is less than 1 μs, the discharge becomes unstable, and if it exceeds 50 μs, it becomes easy to shift to arc discharge. More preferably,
3 μs to 20 μs. Here, the pulse duration, which is shown in FIG. 2 as an example, refers to a time during which a pulse is continuous in a pulse electric field composed of repetition of ON and OFF. In the case of the intermittent pulse as shown in FIG. 2A, the pulse duration is equal to the pulse width time, but in the case of the pulse having the waveform as shown in FIG. Say time including.

【0027】さらに、放電を安定させるためには、放電
時間1ms内に、少なくとも1μs継続するOFF時間
を有することが好ましい。
Further, in order to stabilize the discharge, it is preferable to have an OFF time lasting at least 1 μs within a discharge time of 1 ms.

【0028】上記放電は電圧の印加によって行われる。
電圧の大きさは適宜決められるが、本発明においては、
電極間の電界強度が50〜100kV/cmとなる範囲
にすることが好ましい。5kV/cm未満であると処理
に時間がかかりすぎ、100kV/cmを超えるとアー
ク放電が発生しやすくなる。また、パルス電圧の印加に
おいて、直流を重畳してもよい。
The above discharge is performed by applying a voltage.
Although the magnitude of the voltage is appropriately determined, in the present invention,
It is preferable that the electric field strength between the electrodes is in a range of 50 to 100 kV / cm. If it is less than 5 kV / cm, it takes too much time for the treatment, and if it exceeds 100 kV / cm, arc discharge is likely to occur. In applying the pulse voltage, a direct current may be superimposed.

【0029】本発明のスルホン化においては、上記放電
プラズマ発生空間に存在する気体(以下、処理用ガスと
いう。)として、硫黄酸化物ガス及び酸素及び/又は希
ガスからなる混合ガスを存在させる。
In the sulfonation of the present invention, a mixed gas composed of a sulfur oxide gas and oxygen and / or a rare gas is present as a gas (hereinafter referred to as a processing gas) existing in the discharge plasma generation space.

【0030】上記処理用ガスとしての硫黄酸化物ガスと
しては、二酸化硫黄、三酸化硫黄ガスや硫酸の気化ガス
が挙げられる。硫黄酸化物ガスは、安全性、経済性の観
点から、単独雰囲気でなく酸素及び/又は希ガスとの混
合ガスとして用いる。
Examples of the sulfur oxide gas as the processing gas include sulfur dioxide, sulfur trioxide gas, and vaporized gas of sulfuric acid. The sulfur oxide gas is used not as a single atmosphere but as a mixed gas with oxygen and / or a rare gas from the viewpoint of safety and economy.

【0031】上記希ガスとしては、ネオン、アルゴン、
キセノン等の希ガスが挙げられる。これらは単独でも2
種以上を混合して用いてもよい。希ガス及び/又は酸素
を用いる場合、処理用ガスの割合が1〜10体積%とな
るようにすることが好ましい。また、上記希ガスからな
る雰囲気中でプラズマ放電を行って表面にラジカルを発
生させた後に処理用ガスに接触させてもよい。
As the rare gas, neon, argon,
A rare gas such as xenon is used. These alone are 2
Mixtures of more than one species may be used. When a rare gas and / or oxygen is used, it is preferable that the ratio of the processing gas be 1 to 10% by volume. Alternatively, plasma discharge may be performed in an atmosphere composed of the rare gas to generate radicals on the surface, and then the radical may be brought into contact with the processing gas.

【0032】なお、雰囲気ガスとしては電子を多く有す
る化合物の方がプラズマ密度を高め高速処理を行う上で
有利である。よって入手の容易さと経済性、処理速度を
考慮した上で最も望ましい選択は、アルゴンである。
As an atmosphere gas, a compound having more electrons is more advantageous in increasing the plasma density and performing high-speed processing. Therefore, the most desirable choice in consideration of availability, economy and processing speed is argon.

【0033】従来、大気圧近傍の圧力下においては、ヘ
リウムが大過剰に存在する雰囲気下で処理が行われてき
たが、本発明のアルゴンを用いる方法によれば、ヘリウ
ムに比較して安定した処理が可能であり、さらに、これ
らの分子量の大きい、電子をより多く有するガスの存在
下で処理を行うことにより、高密度プラズマ状態を実現
し、処理速度を上げることが出来るため、工業上大きな
優位性を有する。
Conventionally, at a pressure close to the atmospheric pressure, the treatment has been performed in an atmosphere in which helium is present in a large excess. However, according to the method using argon of the present invention, the treatment is more stable than helium. Processing is possible, and furthermore, by performing the processing in the presence of these gases having a large molecular weight and more electrons, a high-density plasma state can be realized and the processing speed can be increased. Has superiority.

【0034】本発明の表面処理は、被処理体を加熱また
は冷却して行ってもよいが、室温下で充分可能である。
上記処理に要する時間は、印加電圧、処理用ガスの種類
および混合気体中の割合等を考慮して適宜決定される。
The surface treatment of the present invention may be carried out by heating or cooling the object to be treated, but is sufficiently possible at room temperature.
The time required for the above-described processing is appropriately determined in consideration of the applied voltage, the type of the processing gas, the ratio in the mixed gas, and the like.

【0035】本発明においては、上記対向電極間に固体
誘電体を設置し、かつ、パルス電界を印加することによ
り、ガス雰囲気にとらわれず安定した放電プラズマを継
続して発生させることが可能である。よって反応性ガス
や電極形状を自由に設計することが出来る。さらに高速
のパルス電界を用いることにより高密度のプラズマ状態
を実現し、高速で高いレベルの処理が可能である。
In the present invention, a stable discharge plasma can be continuously generated irrespective of the gas atmosphere by arranging a solid dielectric between the opposing electrodes and applying a pulsed electric field. . Therefore, the reactive gas and the shape of the electrode can be freely designed. Further, by using a high-speed pulse electric field, a high-density plasma state is realized, and high-speed and high-level processing can be performed.

【0036】上記パルス電界の印加により、放電状態が
アーク移行する前に放電を止め、再び放電を開始すると
いうサイクルが実現されて全体として安定した放電状態
が維持されていると考えられる。さらに、急峻な立ち上
がりを有するパルス電界を印加することにより、空間中
に存在する気体分子を効率よく励起させることが出来、
空間中の電離した状態にある分子の絶対数が多い、すな
わちプラズマ密度が高いという状態が実現されていると
考えられる。
It is considered that by applying the pulse electric field, a cycle in which the discharge is stopped before the discharge state shifts to the arc and the discharge is started again is realized, and a stable discharge state is maintained as a whole. Furthermore, by applying a pulse electric field having a steep rising, gas molecules existing in the space can be efficiently excited,
It is considered that a state is realized in which the absolute number of molecules in the ionized state in the space is large, that is, the plasma density is high.

【0037】[0037]

【実施例】本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明
するが、本発明はこれらに限定されるものではない。ま
た、実施例で用いた処理装置は次の通りである。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples. The processing apparatus used in the examples is as follows.

【0038】図3に示すような、処理容器1、対向電極
(上部電極2と下部電極3)、パルス電源4、ガス供給
装置5、油回転ポンプ6、巻出機7、及び巻取機8によ
って構成される大気圧放電プラズマ処理装置を用いた。
As shown in FIG. 3, the processing vessel 1, counter electrodes (upper electrode 2 and lower electrode 3), pulse power supply 4, gas supply device 5, oil rotary pump 6, unwinder 7, and winder 8 Was used.

【0039】処理容器1には、被処理基材の導入口11
及び基材排出口12が設置されている。また、処理容器
1には、ガス導入口13及びガス排出口14が設けられ
ており、そのガス導入口13にガス供給装置5が接続さ
れ、ガス排出口14に減圧用の油回転ポンプ6が接続さ
れている。
The processing container 1 has an inlet 11 for a substrate to be processed.
And a base material outlet 12. Further, the processing container 1 is provided with a gas inlet 13 and a gas outlet 14, the gas inlet 13 is connected to the gas supply device 5, and the gas outlet 14 is provided with an oil rotary pump 6 for reducing pressure. It is connected.

【0040】処理容器1内部には、上部電極2と下部電
極3とが一定の間隔を隔てて設置されている。上部電極
2はパルス電源4に電気的に接続され、下部電極3は接
地されており、これら上部電極2と下部電極3との間に
パルス電圧を印加する。
In the processing vessel 1, an upper electrode 2 and a lower electrode 3 are provided at a predetermined interval. The upper electrode 2 is electrically connected to a pulse power source 4 and the lower electrode 3 is grounded, and applies a pulse voltage between the upper electrode 2 and the lower electrode 3.

【0041】巻出機7には、処理を行うプロトン伝導性
膜Pが巻かれている。このプロトン伝導性膜Pは、送り
ロール9、10及び巻取機8によって構成される搬送系
により上部電極2と下部電極3との間を走行するように
なされている。
The unwinding machine 7 is wound with a proton conductive membrane P for processing. The proton conductive membrane P travels between the upper electrode 2 and the lower electrode 3 by a transport system including the feed rolls 9 and 10 and the winder 8.

【0042】そして、ガス供給装置5及び油回転ポンプ
6の操作により、処理容器1内のガスを排出口14から
排出し、流量調整された処理ガスをガス導入口13から
処理容器1内に導入して、処理容器1内を大気圧近傍の
圧力下で処理ガス雰囲気とし、この状態で、上部電極2
と下部電極3との間にパルス電源4からパルス電圧を印
加することによりグロー放電プラズマを発生させるとと
もに、上部電極2と下部電極3との間にプロトン伝導性
膜Pを走行させることによって、そのプロトン伝導性膜
Pのスルホン化を連続的に施すことができる。
By operating the gas supply device 5 and the oil rotary pump 6, the gas in the processing container 1 is discharged from the discharge port 14, and the processing gas whose flow rate has been adjusted is introduced into the processing container 1 from the gas inlet 13. Then, the inside of the processing vessel 1 is set to a processing gas atmosphere under a pressure close to the atmospheric pressure, and in this state, the upper electrode 2
A glow discharge plasma is generated by applying a pulse voltage from a pulse power source 4 between the upper electrode 2 and the lower electrode 3, and the proton conductive film P is caused to run between the upper electrode 2 and the lower electrode 3. The sulfonation of the proton conductive membrane P can be performed continuously.

【0043】ここで、図3では、対向電極(上部電極2
と下部電極3)を1組のみ示しているが、必要に応じ
て、多数組の対向電極を接地し、プロトン伝導性膜Pが
大気圧放電プラズマに接触する距離を長くし、プロトン
伝導性膜Pを高速で走行させるようにしてもよい。な
お、処理容器1の材質は、特に限定されず、例えば樹
脂、ガラス、金属等が挙げられる。
Here, in FIG. 3, the counter electrode (upper electrode 2
And only one set of the lower electrode 3) is shown, but if necessary, a large number of sets of counter electrodes are grounded to increase the contact distance of the proton conductive film P with the atmospheric pressure discharge plasma. P may be run at high speed. In addition, the material of the processing container 1 is not particularly limited, and examples thereof include resin, glass, and metal.

【0044】実施例1 図3に示す処理装置において、Al23の溶射膜(固体
誘電体)が1.5mmコートしてある上部電極2(SU
S304製、大きさ120mm×50mm)と、下部電
極3(SUS304製、大きさ120mm×50mm)
との電極間距離を2mmとし、その上下の電極間の空間
中に、燃料電池用プロトン伝導性膜Nafion117
(Du Pont社製)を配置した。
Example 1 In the processing apparatus shown in FIG. 3, an upper electrode 2 (SU) coated with a sprayed film of Al 2 O 3 (solid dielectric) by 1.5 mm was used.
S304, size 120 mm x 50 mm) and lower electrode 3 (SUS304, size 120 mm x 50 mm)
The distance between the electrodes is 2 mm, and the proton conductive membrane Nafion 117 for the fuel cell is provided in the space between the upper and lower electrodes.
(Manufactured by Du Pont) was placed.

【0045】次に、油回転ポンプ6により処理容器1の
内圧が1.333×102Paになるまで排気を行った
後、2体積%SO2/30体積%O2/68体積%Arか
らなる混合ガスをガス導入口13から容器内が大気圧に
なるまで導入した状態で、上部電極2と下部電極3との
間に、パルス波型が図1(A)、立ち上がり時間10μ
s、継続時間20μs、周波数6kHz、電界強度80
kV/cmのパルス電界を印加して常圧プラズマを発生
させるとともに、プロトン伝導性膜を5秒間処理した。
Next, after the internal pressure of the processing chamber 1 by an oil rotary pump 6 was evacuated to a 1.333 × 10 2 Pa, from 2 vol% SO 2/30 vol% O 2/68 volume% Ar In the state where the mixed gas is introduced from the gas inlet 13 until the inside of the container reaches atmospheric pressure, a pulse wave type is applied between the upper electrode 2 and the lower electrode 3 as shown in FIG.
s, duration 20 μs, frequency 6 kHz, electric field strength 80
A kV / cm pulse electric field was applied to generate normal pressure plasma, and the proton conductive membrane was treated for 5 seconds.

【0046】処理前後のプロトン伝導性膜の表面状態を
X線光電子分光装置(XPS)を用いて分析した結果、
表面の硫黄量は、処理前が検出限界以下であったのが5
atom%に増加した。また、処理後のプロトン伝導性
膜の表面の水に対する静的接触角を測定した結果、親水
化されていることがわかった。
As a result of analyzing the surface state of the proton conductive membrane before and after the treatment using an X-ray photoelectron spectrometer (XPS),
Before the treatment, the amount of sulfur on the surface was below the detection limit.
atom%. The static contact angle of the surface of the proton-conductive membrane after treatment with water was measured, and it was found that the surface was hydrophilized.

【0047】比較例1 混合ガスにおけるアルゴンをヘリウムに変更し、電界強
度を10kV/cmとした以外は、実施例1と同様に処
理を行った。処理後のプロトン伝導性膜の表面状態をX
線光電子分光装置(XPS)を用いて分析した結果、表
面の硫黄量は、0.1atom%であり、処理後のプロ
トン伝導性膜の表面の水に対する静的接触角は高く、ス
ルホン化は進行せず、親水性は付与されていなかった。
なお、ヘリウム使用の場合は、これ以上の電界を投入す
るとアーク放電に移行した。
Comparative Example 1 A treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that argon in the mixed gas was changed to helium, and the electric field intensity was changed to 10 kV / cm. The surface state of the proton conductive membrane after the treatment is represented by X
As a result of analysis using a line photoelectron spectrometer (XPS), the amount of sulfur on the surface was 0.1 atom%, the static contact angle of water on the surface of the proton conductive membrane after treatment was high, and sulfonation proceeded. No hydrophilicity was imparted.
In addition, in the case of using helium, when an electric field more than this was applied, the state was shifted to arc discharge.

【0048】比較例2 パルス電界の代わりに、周波数12.2kHzのsin
波形の電圧を印加したこと以外は、実施例1と同様に処
理を行ったが、放電発生に必要な電界強度が100kV
/cmを要し、放電状態はアーク放電であったためプロ
トン伝導性膜に穴があいた。
Comparative Example 2 Instead of the pulse electric field, a sin having a frequency of 12.2 kHz was used.
Processing was performed in the same manner as in Example 1 except that a voltage having a waveform was applied, but the electric field intensity required for generating discharge was 100 kV.
/ Cm, and the discharge state was arc discharge, so that holes were formed in the proton conductive membrane.

【0049】[0049]

【発明の効果】本発明によれば、燃料電池用プロトン伝
導性膜に損傷を与えずに、スルホン化処理を高速、かつ
安価に行うことができ、十分な親水性を付与することが
できる。したがって、燃料電池の実用化に大きく寄与す
る。
According to the present invention, the sulfonation treatment can be performed at high speed and at low cost without damaging the proton conductive membrane for a fuel cell, and sufficient hydrophilicity can be imparted. Therefore, it greatly contributes to the practical use of the fuel cell.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】対極電極間に印加するパルス電圧の例を示す波
形図である。
FIG. 1 is a waveform diagram showing an example of a pulse voltage applied between counter electrodes.

【図2】パルス継続時間の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a pulse duration.

【図3】実施例で用いた大気圧放電プラズマ処理装置の
構成を模式的に示す図である。
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a configuration of an atmospheric pressure discharge plasma processing apparatus used in an example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 処理容器 2 上部電極 3 下部電極 4 パルス電源 5 ガス供給装置 6 油回転ポンプ 7 巻出機 8 巻取機 9、10 送りロール 11 基材導入口 12 基材排出口 13 ガス導入口 14 ガス排出口 P プロトン伝導性膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Processing container 2 Upper electrode 3 Lower electrode 4 Pulse power supply 5 Gas supply device 6 Oil rotary pump 7 Unwinder 8 Winder 9, 10 Feed roll 11 Substrate inlet 12 Substrate outlet 13 Gas inlet 14 Gas exhaust Outlet P proton conductive membrane

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 常圧放電プラズマ処理によりスルホン化
された燃料電池用プロトン伝導性膜をからなることを特
徴とする燃料電池用プロトン伝導性膜。
1. A proton conductive membrane for a fuel cell, comprising a proton conductive membrane for a fuel cell which has been sulfonated by atmospheric pressure discharge plasma treatment.
【請求項2】 常圧放電プラズマ処理が、互いに対向す
る一対の電極で構成され、その一方または双方の電極の
対向面が固体誘電体で被覆されてなる対向電極を、硫黄
酸化物ガス及び酸素及び/又は希ガスからなる混合ガス
雰囲気の大気圧近傍下に配置し、その対向電極間に燃料
電池用プロトン伝導性膜を配置した状態で、対向電極間
に、パルス立ち上がり時間が20μs以下、パルス継続
時間が1〜50μs、周波数が1〜20kHz、電界強
度が50〜100kV/cmのパルス電圧を印加するこ
とにより、燃料電池用プロトン伝導性膜に大気圧放電プ
ラズマ処理を施すことを特徴とする請求項1に記載の燃
料電池用プロトン伝導性膜のスルホン化処理方法。
2. The normal-pressure discharge plasma treatment includes a pair of electrodes facing each other, and a counter electrode having one or both of the opposite surfaces coated with a solid dielectric is provided with a sulfur oxide gas and oxygen. And / or a rare gas mixed gas atmosphere in the vicinity of the atmospheric pressure, with the proton conductive membrane for a fuel cell disposed between the opposed electrodes, and a pulse rising time of 20 μs or less between the opposed electrodes. Atmospheric pressure discharge plasma treatment is performed on the proton conductive membrane for a fuel cell by applying a pulse voltage having a duration of 1 to 50 μs, a frequency of 1 to 20 kHz, and an electric field intensity of 50 to 100 kV / cm. A method for sulfonating a proton conductive membrane for a fuel cell according to claim 1.
【請求項3】 請求項1又は2に記載の燃料電池用プロ
トン伝導性膜のスルホン化処理方法により得られた燃料
電池用プロトン伝導性膜を用いてなることを特徴とする
燃料電池。
3. A fuel cell using a proton conductive membrane for a fuel cell obtained by the method for sulfonating a proton conductive membrane for a fuel cell according to claim 1 or 2.
JP2000202282A 2000-07-04 2000-07-04 Proton conductive film for fuel cell and fuel cell Pending JP2002025580A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000202282A JP2002025580A (en) 2000-07-04 2000-07-04 Proton conductive film for fuel cell and fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000202282A JP2002025580A (en) 2000-07-04 2000-07-04 Proton conductive film for fuel cell and fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2002025580A true JP2002025580A (en) 2002-01-25

Family

ID=18699827

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000202282A Pending JP2002025580A (en) 2000-07-04 2000-07-04 Proton conductive film for fuel cell and fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2002025580A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100625970B1 (en) 2003-06-20 2006-09-20 삼성에스디아이 주식회사 Proton conducting composite membrane
US8022165B2 (en) 2006-02-16 2011-09-20 Basf Se Catalytic process for the phosphonylation of high-temperature polymers

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100625970B1 (en) 2003-06-20 2006-09-20 삼성에스디아이 주식회사 Proton conducting composite membrane
US8022165B2 (en) 2006-02-16 2011-09-20 Basf Se Catalytic process for the phosphonylation of high-temperature polymers

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20050142433A1 (en) Fuel cell and production method thereof
US20040081862A1 (en) Fuel cells using plasma
KR101519667B1 (en) Method for accelerating activation of fuel cell
US11031585B2 (en) Method for producing coated nickel-based lithium-nickel composite oxide particles
US5372896A (en) Treated solid polymer electrolyte membrane for use in a fuel cell and fuel cell including the treated solid polymer electrolyte membrane
JP2009517825A (en) Method for producing fuel cell made of thin film
EP1680714A2 (en) Patterned ceramic films and method for producing the same
JP2006216280A (en) Manufacturing method of fuel cell and manufacturing equipment of the same
JP2002110397A (en) Generating method of normal pressure pulse plasma
JP2002025580A (en) Proton conductive film for fuel cell and fuel cell
KR100405671B1 (en) Method preparing for polymer fuel cells and polymer fuel cells manufactured by using same
JP2002020514A (en) Method for modifying surface of fluororesin
JP2002025562A (en) Electrode for fuel cell and fuel cell
JP3337473B2 (en) Method and apparatus for generating negatively charged oxygen atoms
US9401514B2 (en) Fuel cell separator and method for surface treatment of the same
CN103456909A (en) Preparation method of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropene gel electrolyte membrane, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropene gel electrolyte and preparation method of the electrolyte
KR101327825B1 (en) Surface treatment method of Aluminium using plasma
Ekdharmasuit Performance and ethanol crossover of passive direct ethanol fuel cell stack
JP2004152593A (en) Manufacturing method of membrane for solid polymer fuel cell and electrode junction
KR100740581B1 (en) Method for surface treatment of electrolyte membrane, surface-treated electrolyte membrane and polymer electrolyte membrane fuel cell including the electrolyte membrane
JPH08188658A (en) Process for treating surface of substrate
JP3782716B2 (en) Separator for alkaline electrolyte type secondary battery, method for producing the same, and alkaline electrolyte type secondary battery using the same
JP2001068087A (en) Hydrophilic processing method and separator for alkaline secondary battery
JP4778674B2 (en) Method for producing separator for alkaline battery
JP2005285413A (en) Proton conductive membrane, its manufacturing method, and solid polymer type fuel cell using proton conductive membrane